CN102645293A - 一种智能压力变送器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能压力变送器，设有数字温度传感器和压力传感器，能够实时采集温度信号和压力数据，所述压力数据经由A/D转换模块转换后与温度信号一同传输至微控制器进行处理，从而实现对压力传感器进行温度补偿、零点漂移补偿及非线性校正。本发明所设计的一种智能压力变送器能够克服传统压力变送器存在零点漂移的缺点，具有很好的零点补偿特性以及良好的抑制时漂特性。

Description

一种智能压力变送器
技术领域
本发明涉及一种智能压力变送器，属于仪器仪表测量技术领域。
背景技术
压力变送器要求输出工业标准的0~5V电压信号或4~20mA电流信号，要求和被测压力呈线性关系。电压输出型变送器抗干扰能力较差，线路损耗的破坏，谈不上精度有多高，有时输出的直流电压上还叠加有交流成分，使单片机产生误判断，控制出现错误，严重时还会损坏设备，输出0~5V电压信号不能远传，远传后线路压降大，精度大打折扣。因此本发明一种智能压力变送器设计成4~20mA电流输出型。精度是压阻式压力传感器的最主要的指标。传统的扩散硅压阻式压力传感器其输出值不只决定于输入的压力，还受到环境温度变化的影响，因此存在零点漂移及温度漂移的问题。传统的温度补偿方法采用插值法、查表法，编程较为复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够克服传统压力变送器存在零点漂移的缺点，并能进行很好的零点补偿特性以及良好的抑制时漂特性的一种智能压力变送器。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种智能压力变送器，其中：包括压力传感器、信号放大器、A/D转换模块、微控制器、数字温度传感器、D/A转换模块、V/I变换模块、显示模块、RS485通讯接口及电源管理模块；
所述电源管理模块的输出端与微控制器连接，并经由微控制器向整个智能压力变送器供电；
所述压力传感器的输出端连接信号放大器的输入端，并将采集到的压力数据转化为电压信号输入信号放大器；
所述信号放大器的输出端连接A/D转换模块的输入端，对上述接收到的电压信号进行放大和调理，并将放大和调整后的电压信号传输至A/D转换模块；
所述A/D转换模块的输出端连接微控制器的输入端，对前述接收到的放大和调整后的电压信号进行模数转换，并传输至微控制器；
所述数字温度传感器的输出端连接微控制器的输入端，并将采集到的温度信号传输到微控制器；
所述微控制器分别连接D/A转换模块、RS485通讯接口和显示模块的输入端，所述微控制器对接收到的温度信号与电压信号进行计算，从而得出温度补偿后的压力值，并分别传输至D/A转换模块、RS485通讯接口和显示模块，经由RS485通讯接口送至外接测试仪表，同时由显示模块进行显示；
所述D/A转换模块的输出端与V/I变换模块的输入端连接，将上述温度补偿后的压力值转换为模拟电压信号，并传输至V/I变换模块；
所述V/I变换模块接收上述模拟电压信号，并将前述模拟电压信号变换为4~20mA电流输出信号。
作为本发明的一种优化结构：所述信号放大器采用芯片INA121。
作为本发明的一种优化结构：所述A/D转换模块采用模数转换芯片ADC0804。
作为本发明的一种优化结构：所述数字温度传感器采用DS18B20。
作为本发明的一种优化结构：所述微控制器采用ATMEGA128。
作为本发明的一种优化结构：所述D/A转换模块，采用TLC5615 串行DA 芯片。
作为本发明的一种优化结构：所述RS485通讯接口，选择MAX485专用芯片。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 本发明所设计的一种智能压力变送器，克服了传统压力变送器存在零点漂移的缺点，并能进行很好的零点补偿特性以及良好的抑制时漂特性；
2. 本发明所设计的一种智能压力变送器输出标准的4~20mA电流信号，具有精度高、线性度好、有良好的可靠性、稳定性及较宽温度工作范围和较小的温漂，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明所设计的一种智能压力变送器的结构框图；     
图2为本发明所设计的一种智能压力变送器和外接测试仪表的实物接线图；
图3为BP神经网络模型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明设计了一种智能压力变送器，其中：包括压力传感器、信号放大器、A/D转换模块、微控制器、数字温度传感器、D/A转换模块、V/I变换模块、显示模块、RS485通讯接口及电源管理模块；
优选的，所述压力传感器采用扩散硅压阻式压力传感器，如麦克公司的MPM280 压力传感器，该传感器能够在-40℃~80℃温度范围内使用；
优选的，所述信号放大器采用芯片INA121，INA121是一种低功耗、高精度的差压放大器；
优选的，A/D转换模块采用模数转换芯片ADC0804；
优选的，所述数字温度传感器采用DS18B20，该芯片是单总线数字温度传感器，用它作测温器件，具有设计简便，易实现多点精确测温的优点，并且可以有效减少设计微控制器外围电路的复杂程度；
优选的，所述微控制器采用ATMEGA128，该芯片是ATMEL公司的8位单片机中最高配置的一款单片机，应用极其广泛；
优选的，所述D/A转换模块，采用TLC5615 串行DA 芯片，它是低功耗10 位CMOS电压输出DAC；
优选的，所述V/I变换模块，采用负载共地二线制V/I变换方式，电路由TI 公司的高速低功耗精密运算放大器TLE2012及电阻组成；
优选的，所述显示模块采用LCD1602液晶显示屏；
优选的，所述RS485通讯接口，选择MAX485专用芯片，MAX485为单电源5V 供电, 半双工通讯方式, 其功能是实现微控制器的TTL电平和RS-485电平的转换。
在具体实施方式中，本发明的工作原理为：压力传感器采集压力数据，并将压力数据转化为电压信号输入放大器；信号放大器完成对电压信号的放大和调理，并传输至A/D转换模块；A/D转换模块对上述放大和调理后的电压信号进行模数转换，转换完成后将产生外部中断，微控制器在外部中断服务程序中读取转换结果；微控制器按照数字温度传感器DS18B20的工作时序和通信协议采集温度信号，微控制器将采集到的温度值与压力值输入设计好的BP神经网络模型，经过模型计算输出温度补偿后的压力值，并由LCD1602显示测量值；D/A转换模块将上述温度补偿后的压力值重新转换为模拟电压信号，经V/I变换转换为4~20mA电流输出信号；RS485通讯接口选择专用芯片MAX485，MAX485为单电源5V 供电，半双工通讯方式, 其功能是实现微控制器的TTL电平和RS-485电平的转换；所述RS485通讯接口为其它智能仪表提供联网通信接口。
电源管理模块由专用电源芯片构成，为微控制器及其它电路提供5V和3V的电压供电。
如图2所示，为压力变送器和外接测试仪表的实物接线图，4~20mA的电流信号经过采样电阻R完成电流到电压转换，供单片机使用。
如图3所示，为神经网络模型，在具体的实施例中，微控制器对压力的温度补偿采取BP神经网络算法：BP网络是一种单向传输的多层前馈网络，利用梯度最速下降法，权值沿误差函数的负梯度方向改变，使误差逐步减小，并逼近非线性函数，输入层包含了采样数据DS18B20测量的环境温度、压力传感器输出的压力值。
中间层神经元的传递函数采用S型正切函数，其表达式为：                                               
Figure 2012101229377100002DEST_PATH_IMAGE002
。可得到中间层的函数表达式：
Figure 2012101229377100002DEST_PATH_IMAGE004
。然后将中间层与输出层的的权值矩阵设为，修正值矩阵为
Figure 2012101229377100002DEST_PATH_IMAGE008
，输出层神经元的传递函数采用S型对数函数，其表达式为：
Figure 2012101229377100002DEST_PATH_IMAGE010
。可得到输出层的函数表达式：
Figure 2012101229377100002DEST_PATH_IMAGE012
；通过神经网络训练之后，得到满足控制要求训练的权值以及修正值，将其连接关系用程序编程，移植到单片机中，完成信号处理需要。在整个系统中微控制器完成的工作主要有：上电初始化，A/D，D/A转换与通讯模块的初始化等；进行温度和压力的A/D转换，把温度和压力信号组成二维数组输入到神经网络训练的权值连接中实现信号处理，将信号通过RS485 通讯接口发送出去，并通过LCD显示测量压力值；D/A转换后实现模拟量输出。

Claims (7)

1.一种智能压力变送器，其特征在于：包括压力传感器、信号放大器、A/D转换模块、微控制器、数字温度传感器、D/A转换模块、V/I变换模块、显示模块、RS485通讯接口及电源管理模块；
所述电源管理模块的输出端与微控制器连接，并经由微控制器向整个智能压力变送器供电；
所述压力传感器的输出端连接信号放大器的输入端，并将采集到的压力数据转化为电压信号输入信号放大器；
所述信号放大器的输出端连接A/D转换模块的输入端，对上述接收到的电压信号进行放大和调理，并将放大和调整后的电压信号传输至A/D转换模块；
所述A/D转换模块的输出端连接微控制器的输入端，对前述接收到的放大和调整后的电压信号进行模数转换，并传输至微控制器；
所述数字温度传感器的输出端连接微控制器的输入端，并将采集到的温度信号传输到微控制器；
所述微控制器分别连接D/A转换模块、RS485通讯接口和显示模块的输入端，所述微控制器对接收到的温度信号与电压信号进行处理，从而得出温度补偿后的压力值，并分别传输至D/A转换模块、RS485通讯接口和显示模块，经由RS485通讯接口送至外接测试仪表，同时由显示模块进行显示；
所述D/A转换模块的输出端与V/I变换模块的输入端连接，将上述温度补偿后的压力值转换为模拟电压信号，并传输至V/I变换模块；
所述V/I变换模块接收上述模拟电压信号，并将前述模拟电压信号变换为4~20mA电流输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种智能压力变送器，其特征在于：所述信号放大器采用芯片INA121。
3.根据权利要求1所述的一种智能压力变送器，其特征在于：所述A/D转换模块采用模数转换芯片ADC0804。
4.根据权利要求1所述的一种智能压力变送器，其特征在于：所述数字温度传感器采用DS18B20。
5.根据权利要求1所述的一种智能压力变送器，其特征在于：所述微控制器采用ATMEGA128。
6.根据权利要求1所述的一种智能压力变送器，其特征在于：所述D/A转换模块，采用TLC5615 串行DA 芯片。
7.根据权利要求1所述的一种智能压力变送器，其特征在于：所述RS485通讯接口，选择MAX485专用芯片。
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